[发明专利]一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选装置及方法

说明书

一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选装置及方法。本发明通过多级化设计使液态金属在真空腔室中的流速降低、增加其在真空腔室中的停留时间，从而提高氚提取效率。含氚液态铅锂合金流入多级真空筛选装置，经测氢传感器在线测量含氚液态铅锂合金的氚含量后流入多级真空筛选腔室，液态铅锂在重力以及压力的作用下，通过第一级液滴喷嘴阵列形成液滴下落至下一级液滴喷嘴阵列，再在重力作用下通过下一级液滴喷嘴阵列形成液滴直至下落至多级真空筛选腔室底部，每一级液滴喷嘴的存在均使液滴速度降为0，从而增加液滴在真空腔室中的停留时间；被提取的氚气经过真空冷屏流至气体暂存罐以待提纯。

技术领域

本发明属于先进核反应堆燃料研究领域，具体涉及一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选装置及方法。

背景技术

核聚变能作为一种“清洁”能源，是未来最有发展前景的能源之一。聚变堆包层是聚变核反应堆的核心部件，是使聚变堆应用得以实现的重要功能载体。对于液态包层而言，无论是从经济考虑(氚是一种极其昂贵的资源)还是安全与环境因素考虑(氚是一种具有放射性的核素，排放到环境会对环境造成放射性污染)，从液态包层中高效的提取氚具有重要意义。目前从液态铅锂合金中在线连续的提取氚的方法主要以下四种：(1)膜渗透法(Fusion Technology,1996:1229-1232)；(2)中间热介质通路附设冷阱法(FusionTechnology,1992,21:872-877)；(3)气泡接触器法(又称鼓泡器法)(核科学与工程，2006,26：271-288)；(4)液滴喷雾法(又称真空筛选法)(Fusion Engineering and Design,2012,87:1014-1018)。其中第一种方法满足要求的高性能渗透膜在现实中很难获取，第二种方法的工艺流程相对复杂，第三种方法是目前最具应用前景的一种在线提氚方法，该方法是指利用利用一定压力的载带气(一般为He气或是He/H₂混合气体)在鼓泡器内形成气泡流动与自上而下的含氚铅锂进行气液交换，将氚从液态铅锂中提取出来。由于载带气的存在，后期需要进行气体分离，增加了系统的复杂性以及氚提取成本。第四种方法是利用氚在液态铅锂中的溶解度低，在真空环境下，氚自发从液态铅锂中扩散至真空腔室，以达到氚提取的目的。由于没有载带气的存在，此方法避免氦氚分离操作。然而由于压力作用，液态铅锂进入真空腔室具有较高初速度，其在真空腔室中的停留时间短，严重影响了氚提取效率。为提高液态铅锂合金中氚在线提取效率，满足聚变堆氚燃料自持的需求，研发高效的氚在线提取技术及系统显得尤为重要。

发明内容

本发明技术解决问题：针对提高液态铅锂合金中氚在线提取效率，提供一种适用于液态金属回路氚在线提取的多级真空筛选装置及方法，通过多级化设计使液态金属在真空腔室中的流速降低、增加其在真空腔室中的停留时间，从而提高氚提取效率。本发明装置的氚提取效率可达50％以上。由于不需要载带气鼓泡进行同位素交换，避免氦氚分离工序，因此本发明的装置具有机构简单、成本低、氚提取效率高等优点，可有效解决液态铅锂回路氚在线高效提取的问题。

本发明采用的技术方案为：含氚液态铅锂合金流入多级真空筛选装置，经第一测氢传感器在线测量含氚液态铅锂合金的氚含量后流入多级真空筛选腔室，液态铅锂在重力以及压力的作用下，通过第一级液滴喷嘴阵列形成液滴下落至下一级液滴喷嘴阵列，再在重力作用下通过下一级液滴喷嘴阵列形成液滴直至下落至多级真空筛选腔室底部，每一级液滴喷嘴阵列的存在均使液滴速度降为0，从而增加液滴在真空腔室中的停留时间；被提取的氚气经过真空冷屏流至气体暂存罐以待提纯。